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相變存儲器的淺談論文
一、引言
非易失性存儲器(non—volatile memory,NVM)在信息技術中扮演著重要的角色。傳統(tǒng)非易失性存儲器主要包括EPROM(可擦寫可編程只讀存儲器)、EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)、Flash(閃存)等。在當前市場中,Flash存儲器漸漸占據(jù)了統(tǒng)治地位。但是,flash存儲器也存在著一些問題.其在讀寫過程中的高能熱電子可能會引起存儲器本身的損壞,影響器件可靠性;同時,Flash存儲器在對某一位數(shù)據(jù)進行擦除時,需要將整個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)擦除,這大大影響了存儲器的速度。隨著技術的進步,鐵電存儲器、磁存儲器等也開始嶄露頭腳,目前最引人矚目的當屬相變存儲器了。
二、相和相變
相是理化上的一個概念,它表示某種物質化學性質沒有變化,但是其物理狀態(tài)已經改變,如水在物理上有氣相、液相、固相的狀態(tài)。而相變就是當外部環(huán)境變化時從一種相到另外一種相的過程。相變導致很多物理性質的改變,如光的折射率、電阻率等等。如果想利用物質的相變存儲信息,就必須保證相的狀態(tài)是穩(wěn)定的。目前相變存儲器就是利用硫族化合物晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉化后導電性的差異來存儲數(shù)據(jù)。
三、相變存儲器的原理
相變存儲器的數(shù)據(jù)的寫入和讀取分為三個過程,分別是“Set”、“Reset”和“Read”。
“Reset”是邏輯復位“0”:瞬間施加一個窄而強的電流,大約10ns。而后快速的冷卻,讓相變材料從晶體變?yōu)榉蔷w,電阻率提高兩個數(shù)量級以上。呈高阻態(tài)。邏輯為“0”。
“Set”是設置邏輯“1”:施加寬而弱的電流,大約幾十ns。讓相變材料漸漸結晶。降低電阻率,實現(xiàn)設置邏輯“1”。
“Read”是讀取過程:在兩端施加足夠低的電壓以測量。如果得到較小的電流說明呈高阻態(tài),即邏輯“0”,如果電流較大,即是“1”。由于兩端的功率很小,因此不會改變存儲的數(shù)據(jù)。是非破壞讀取。
四、相變存儲器的優(yōu)缺點
(一)優(yōu)點
1.高讀寫速度。相變材料結晶速度一般在50ns以下,寫入速度快。與一般NAND和NOR(兩種目前流行的非易失性閃存)有所不同的是,PCM寫入新數(shù)據(jù)時不用執(zhí)行擦除過程。這意味著PCM就可以從存儲器直接執(zhí)行代碼,不需要將代碼讀入RAM執(zhí)行,而NAND和NOR則無法直接讀取并運行代碼。
2.壽命長,存儲穩(wěn)定。PCM是以物質的不同相作為存儲信息的方式,因此只要不超過晶化溫度,一般來說不會丟失數(shù)據(jù)。由于它存儲數(shù)據(jù)不牽扯電子轉移等問題,它能執(zhí)行的穩(wěn)定讀寫次數(shù)可達1012~1015,與之對比MLC NAND和SLC NADA相形見絀,甚至超過了SARM和DRAM的次數(shù)。而且PCM具有抗高輻射,強震動,抗電子干擾等特性,因此在軍事和嚴酷條件要求下也有很大用武之地。
3.工藝簡單,潛力大。與其他一些未來存儲器技術對比,PCM的工藝較為容易實驗。在目前CMOS工藝之上,只需增加2~4次掩膜即可。作為一種商業(yè)產品,任何一家企業(yè)都不會放棄如此大的商業(yè)利潤,同時也推動著PCM技術不斷進步。
4.多態(tài)存儲和多層存儲
多態(tài)存儲即在同一個存儲單位中存儲多個數(shù)據(jù)。相變材料最大阻值和最小阻值往往相差幾個數(shù)量級,這樣就給多態(tài)存儲留下了很大空間。多層存儲是可將多個PCM堆疊起來,形成一個三維的存儲陣列,從而為大容量,小空間,低功耗開辟了新道路。
(二)缺點
1.單位成本高。相對目前流行的MLC NADA,單位容量成本較高,這也是當年閃存所經歷的過程,隨著工藝的完善相信能夠得到解決。
2.發(fā)熱和耗能過大。因為完成相變過程就是依靠電壓、電流控制發(fā)熱功率來實現(xiàn)的。隨著節(jié)點的越來越小,對加熱控制元件要求也就越高,與此帶來的發(fā)熱問題就越來越明顯。發(fā)熱和耗能是目前制約其發(fā)展的重要原因。
3.電路設計不完善。目前相變材料五花八門和熱傳導效應,PCM電路設計較其他存儲器有很大不同當高速度、大數(shù)據(jù)量時對電路要求就十分苛刻,在這方面PCM還有很長的路要走。
五、相變存儲器今后發(fā)展
作為一種新型的非易失性存儲器,它集DRAM,NADN,EEPROM各種存儲器的優(yōu)點一體。目前相變存儲器在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)展迅速,三星公司利用PCM已完成試驗機的測試。但是否能在存儲器市場像NADN一樣流行,必須解決成較高和容量普遍偏小的局面。我國目前在這方便也取得一定的成績,但是較國外英特爾、三星、日立等大公司差距依舊很大。相變存儲器在飛速發(fā)展的同時,FERAM(鐵電存儲器)、MRAM(磁性存儲器)、RERAM(電阻記憶體)等新興非易失性存儲器也在飛速發(fā)展,在未來的存儲器市場競爭中到底誰能取得勝利,尚不可知。
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